楊曉春,吳其重,趙 榮,杜萌萌,郭慶元,唐文哲

(1.西安市氣象局,西安 710016;2.北京師范大學(xué),北京 100875)

西安空氣質(zhì)量預(yù)報系統(tǒng)業(yè)務(wù)運行評估

楊曉春1,吳其重2,趙 榮1,杜萌萌1,郭慶元1,唐文哲1

(1.西安市氣象局,西安 710016;2.北京師范大學(xué),北京 100875)

利用2014年8月至2015年1月西安市環(huán)保局實況監(jiān)測數(shù)據(jù)、西安空氣質(zhì)量預(yù)報系統(tǒng)(XAWRF-CMAQ)預(yù)報產(chǎn)品及國家氣象中心空氣質(zhì)量預(yù)報指導(dǎo)產(chǎn)品,按照中國氣象局發(fā)布的《城市空氣質(zhì)量預(yù)報檢驗評估和考核辦法(試行)》對XAWRF-CMAQ進(jìn)行業(yè)務(wù)運行評估。結(jié)果顯示:在評估時段內(nèi),XAWRF-CMAQ空氣質(zhì)量預(yù)報考核評分為61.1,空氣質(zhì)量預(yù)報準(zhǔn)確性評分為71.0,重污染預(yù)報能力評分為0.36,達(dá)到中國氣象局的要求。另外,XAWRF-CMAQ的預(yù)報結(jié)果對粗顆粒物存在一定程度的偏低估計,這可能是由于系統(tǒng)對顆粒物排放估計偏低所引起。

:西安空氣質(zhì)量預(yù)報系統(tǒng);運行評估;準(zhǔn)確性

西安地區(qū)高速城鎮(zhèn)化的發(fā)展,導(dǎo)致大氣污染物大量排放,引起嚴(yán)重的空氣污染問題,影響著公眾的健康[1]。基于環(huán)境氣象業(yè)務(wù)的需求,西安空氣質(zhì)量預(yù)報系統(tǒng)(XAWRF-CMAQ)[2]于2013年8月開始業(yè)務(wù)化運行,該系統(tǒng)每日提供未來72 h逐小時空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品。為了檢驗XAWRF-CMAQ的精度,更好地滿足業(yè)務(wù)化的需求,根據(jù)中國氣象局發(fā)布的 《城市空氣質(zhì)量預(yù)報檢驗評估和考核辦法 (試行)》(以下簡稱 《辦法》),結(jié)合西安市空氣質(zhì)量實況監(jiān)測數(shù)據(jù)及國家氣象中心下發(fā)的空氣質(zhì)量24 h預(yù)報指導(dǎo)產(chǎn)品,對XAWRF-CMAQ的產(chǎn)品進(jìn)行業(yè)務(wù)化評估。

1 數(shù)據(jù)與方法

文中所采用的數(shù)據(jù)包括:2014年8月至2015年1月西安市環(huán)保局13個監(jiān)測站逐時實況數(shù)據(jù)(其中有效數(shù)據(jù)為161 d),相應(yīng)時段XAWRF-CMAQ的24、48 h預(yù)報產(chǎn)品及國家氣象中心下發(fā)的24 h預(yù)報指導(dǎo)產(chǎn)品。為了便于比較評估,實況和XAWRF-CMAQ預(yù)報產(chǎn)品數(shù)據(jù)均選用日平均值,其中,實況數(shù)據(jù)由西安市環(huán)境監(jiān)測站點逐時實況數(shù)據(jù)24 h平均計算得到, XAWRF-CMAQ采用與監(jiān)測站點相近的模式網(wǎng)格點數(shù)據(jù)進(jìn)行24 h平均;國家氣象中心預(yù)報指導(dǎo)產(chǎn)品采用西安地區(qū)逐日預(yù)報值。

在此基礎(chǔ)上,參照 《辦法》中制定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計算評分,實現(xiàn)對XAWRF-CMAQ的業(yè)務(wù)評估。

1.1 空氣質(zhì)量預(yù)報考核評分和AQI預(yù)報Ts評分方法

1.1.1 空氣質(zhì)量預(yù)報考核評分 《辦法》中逐日空氣質(zhì)量預(yù)報考核評分計算公式為

式中,R為逐日空氣質(zhì)量預(yù)報質(zhì)量評分,S1為資料傳輸時效評分,S2為空氣質(zhì)量預(yù)報精確度評分。S2的計算公式為

式中,f1為首要污染物預(yù)報正確性評分,若預(yù)報的首要污染物與實況一致,則判定為首要污染物預(yù)報正確,得100分,否則為錯誤,得0分;若有兩種或多種污染物并列為首要污染物,預(yù)報出其中一種即判定為首要污染物預(yù)報正確。f2為空氣質(zhì)量指數(shù)(Air Quality Index,AQI)預(yù)報級別正確性評分,若預(yù)報與實況級別相同得100分,相差一個等級得50分,相差兩個等級得25分,其余不得分。首要污染物預(yù)報技巧評分f3、AQI等級預(yù)報技巧評分f4的規(guī)則為:國家氣象中心指導(dǎo)預(yù)報與地方預(yù)報均為正確或錯誤的情況下,得分為0;指導(dǎo)預(yù)報正確,地方預(yù)報錯誤,得分為-100;指導(dǎo)預(yù)報錯誤,地方預(yù)報正確,得分為100。AQI預(yù)報數(shù)值誤差評分f5的評分規(guī)則如表1所示。

1.1.2 AQI預(yù)報Ts評分 《辦法》參照降水Ts評分計算方法,制定了AQI的Ts評分規(guī)則,用以衡量高濃度污染(AQI為五、六級)的預(yù)報能力。例如AQI為五級的預(yù)報Ts評分公式為

其中,Ac為評分時段內(nèi)AQI預(yù)報與實況均為五級的天數(shù),Af為評分時段內(nèi)AQI預(yù)報為五級的天數(shù),Ao為AQI實況為五級的天數(shù)。若Af+Ao-Ac=0,則Ts=0。

1.2 空氣質(zhì)量預(yù)報準(zhǔn)確性評分方法

為了進(jìn)一步評估XAWRF-CMAQ的預(yù)報準(zhǔn)確性,剔除“預(yù)報技巧”因素,將f3、f4的系數(shù)按公式(2)中原有比例分配到其他三項,則逐日空氣質(zhì)量預(yù)報準(zhǔn)確性評分S3為

2 XAWRF-CMAQ業(yè)務(wù)考核結(jié)果

2.1 空氣質(zhì)量預(yù)報考核評分和AQI預(yù)報TS評分

2.1.1 空氣質(zhì)量預(yù)報考核評分 根據(jù)公式(1),對XAWRF-CMAQ預(yù)報產(chǎn)品進(jìn)行逐日空氣質(zhì)量預(yù)報考核評分。對于資料傳輸時效評分S1, XAWRF-CMAQ在每日10時前完成所有預(yù)報產(chǎn)品的計算和制作,完全滿足 《辦法》對預(yù)報時效的要求,可認(rèn)定S1的得分為100。

在評估時段內(nèi),XAWRF-CMAQ對于首要污染物預(yù)報正確的僅有31 d,因此,S2中首要污染物預(yù)報正確性評分f1的總分為3 100。通過分析表明,首要污染物預(yù)報錯誤主要是由于系統(tǒng)對PM10、PM2.5顆粒物的漏報,說明系統(tǒng)對顆粒物污染的預(yù)報存在不足。

統(tǒng)計分析了評估時段內(nèi)XAWRF-CMAQ預(yù)報產(chǎn)品AQI預(yù)報等級分布(表2)。由表2可以看出,當(dāng)AQI為二、三級時,XAWRF-CMAQ的預(yù)報準(zhǔn)確率較高;AQI為一級和五級時, XAWRF-CMAQ漏報較明顯。進(jìn)一步分析表明, AQI為一級,XAWRF-CMAQ漏報13 d,主要原因是XAWRF-CMAQ點源的SO2排放過高,這與近幾年我國大型工礦企業(yè)脫硫工程的逐步實施,而系統(tǒng)中所使用污染源清單數(shù)據(jù)收集年份較早有一定關(guān)系[3];而AQI為五級,系統(tǒng)漏報6 d,漏報的主要原因是系統(tǒng)對PM2.5濃度的峰值低估所引起。XAWRF-CMAQ的AQI預(yù)報級別正確性評分f2的平均分為76.0。

XAWRF-CMAQ預(yù)報產(chǎn)品首要污染物預(yù)報技巧f3的平均分為-11.9,造成負(fù)技巧的主要原因有兩方面。一方面是由于系統(tǒng)中點源的SO2排放過高,導(dǎo)致SO2預(yù)報濃度偏高。當(dāng)實況AQI為一級時,系統(tǒng)誤判為AQI二級或三級且首要污染物為SO2。另一方面是由于系統(tǒng)的污染源清單中揚塵過少,導(dǎo)致PM10預(yù)報濃度偏低。當(dāng)實況AQI為二級或三級,且首要污染物為PM10時,系統(tǒng)將首要污染物誤判為PM2.5。

AQI等級預(yù)報技巧f4的平均分為12.9,表明在AQI等級預(yù)報中,XAWRF-CMAQ優(yōu)于國家氣象中心預(yù)報指導(dǎo)產(chǎn)品。AQI預(yù)報數(shù)值誤差f5的平均分為88.4。

綜上可得,評估時段內(nèi),XAWRF-CMAQ的空氣質(zhì)量預(yù)報考核評分Rxa=61.1?！掇k法》要求空氣質(zhì)量預(yù)報考核評分60分為合格,因此,在完全沒有預(yù)報員人工干預(yù)的情況下, XAWRF-CMAQ每日自動生成的預(yù)報產(chǎn)品在時效和精度上滿足 《辦法》要求,同時也滿足西安市空氣質(zhì)量預(yù)報的業(yè)務(wù)需求。

2.1.2 AQI預(yù)報Ts評分 對XAWRF-CMAQ預(yù)報產(chǎn)品及國家氣象中心預(yù)報指導(dǎo)產(chǎn)品的重污染天氣預(yù)報能力進(jìn)行評分。實況資料顯示,在評估時段內(nèi)AQI為五級的重污染天氣共出現(xiàn)10 d,首要污染物均為PM2.5。依據(jù)公式(3)計算獲得,XAWRF-CMAQ的產(chǎn)品和國家氣象中心預(yù)報指導(dǎo)產(chǎn)品Ts評分分別為Ts(xa)=0.36,Ts(bi)= 0.17。結(jié)果顯示,兩種預(yù)報產(chǎn)品對重污染天氣預(yù)報的準(zhǔn)確性均偏小,對高濃度污染物的預(yù)報能力有限。在日常檢驗中也可以發(fā)現(xiàn),西安空氣質(zhì)量預(yù)報系統(tǒng)對于污染物的峰值預(yù)報偏低,這與系統(tǒng)的污染源數(shù)據(jù)收集范圍還存在一定的不足導(dǎo)致排放量偏小有直接關(guān)系。

2.2 空氣質(zhì)量預(yù)報準(zhǔn)確性評分

公式(5)去除了預(yù)報技巧評分,可以表征預(yù)報產(chǎn)品客觀的預(yù)報性能,利用該公式分別對XAWRF-CMAQ預(yù)報產(chǎn)品及國家氣象中心預(yù)報指導(dǎo)產(chǎn)品進(jìn)行準(zhǔn)確性評分,計算得到XAWRFCMAQ預(yù)報產(chǎn)品準(zhǔn)確性評分S3(xa)=71.0,國家氣象中心預(yù)報指導(dǎo)產(chǎn)品準(zhǔn)確性評分S3(bi)= 67.2?？梢钥闯?XAWRF-CMAQ預(yù)報產(chǎn)品的準(zhǔn)確性略優(yōu)于指導(dǎo)產(chǎn)品。同理利用公式 (5)計算得到XAWRF-CMAQ的48 h預(yù)報產(chǎn)品準(zhǔn)確性評分為65.2,由此可見,隨著預(yù)報時效的增加,XAWRF-CMAQ預(yù)報產(chǎn)品的精度也有所下降。

3 結(jié)論

采用2014年8月至2015年1月西安市環(huán)保局實況監(jiān)測數(shù)據(jù)、XAWRF-CMAQ的預(yù)報產(chǎn)品以及國家氣象中心下發(fā)的預(yù)報指導(dǎo)產(chǎn)品,參照《城市空氣質(zhì)量預(yù)報檢驗評估和考核辦法 (試行)》對西安空氣質(zhì)量預(yù)報系統(tǒng)進(jìn)行業(yè)務(wù)運行評估,得到結(jié)果。

(1)在完全沒有預(yù)報員人工干預(yù)的情況下,西安市空氣質(zhì)量預(yù)報系統(tǒng)每日自動生成的產(chǎn)品質(zhì)量考核評分為61.1,達(dá)到《辦法》的要求,滿足業(yè)務(wù)需求。

(2)XAWRF-CMAQ的重污染過程Ts得分為0.36,略優(yōu)于指導(dǎo)產(chǎn)品的0.17。

(3)XAWRF-CMAQ預(yù)報產(chǎn)品的準(zhǔn)確性評分為71.0,略優(yōu)于指導(dǎo)產(chǎn)品的準(zhǔn)確性評分。

(4)在評估中發(fā)現(xiàn),XAWRF-CMAQ對粗顆粒的預(yù)報存在不足。下一步工作將考慮在系統(tǒng)中開展粗顆粒物排放敏感性測試實驗,以期改善XAWRF-CMAQ在PM10預(yù)報方面的效果。

[1] 世界衛(wèi)生組織關(guān)于顆粒物、臭氧、二氧化氮和二氧化硫的空氣質(zhì)量準(zhǔn)則風(fēng)險評估概要[EB/OL]. (2005)[2006-04-15].http://whqlibdoc.who. int/hq/2006/WHO-SDE-PHE-OEH-06.02 -chi.pdf?ua=1.

[2] 楊曉春,趙榮,吳其重,等.西安空氣質(zhì)量預(yù)報系統(tǒng)及檢驗[J].陜西氣象,2014(2):10-13.

[3] 陳煥盛,吳其重,王自發(fā),等.華北大電廠脫硫?qū)W運期間區(qū)域空氣質(zhì)量影響 [J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2014,34(3):598-605.

P457

:A

楊曉春,吳其重,趙榮,等.西安空氣質(zhì)量預(yù)報系統(tǒng)業(yè)務(wù)運行評估[J].陜西氣象,2015(5):41-43.

1006-4354(2015)05-0041-03

2015-04-27

楊曉春(1984—),女,漢族,陜西安塞人,碩士,工程師,主要從事天氣氣候研究。

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(NO.41305121)